車門內(nèi)板和外板的擠壓剛度分析及優(yōu)化

陶沙，徐進(jìn)磊，石國奧，彭子語，沈保山

無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車與交通學(xué)院，江蘇無錫 214121

0 引言

車門作為駕駛員和乘客出入車輛的通道，是車身總成的重要組成部分，其密封性可隔絕車外干擾；其防撞性能，可在一定程度上減輕側(cè)面撞擊，保護(hù)乘員；其開合便利性可為駕乘人員上、下車輛提供方便。而車門剛度是支撐車門以上性能基礎(chǔ)，若車門剛度不足，會導(dǎo)致變形，影響外觀間隙平度、密封條的密封性，造成噪聲加大和高速振響等問題，甚至影響車門的防撞性能，所以車門剛度控制一直是汽車設(shè)計(jì)過程中必不可少的重要環(huán)節(jié)，通常通過控制車門扭轉(zhuǎn)剛度、下沉剛度、側(cè)向剛度及內(nèi)外板擠壓剛度等方面來保證車門的各項(xiàng)性能。車門內(nèi)板和外板擠壓剛度作為車門剛度性能控制的重要組成部分，其性能優(yōu)劣將直接影響到車門密封性能及玻璃升降的穩(wěn)定性，從而影響到車身的NVH性能。為此，本文以某車門為例，利用有限元法計(jì)算了車門內(nèi)板和外板的擠壓剛度，并對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，以提升其剛度性能。

1 有限元模型的建立

1.1 幾何處理及網(wǎng)格劃分

車門總成是由柔性鈑金件組成，厚度較小，且其在厚度方向的尺寸相對于其長度方向來說要小很多，所以一般采用殼網(wǎng)格。在將車門三維模型導(dǎo)入ANSA軟件后，對其進(jìn)行幾何清理、幾何修復(fù)、抽取中面；然后進(jìn)行幾何簡化，將直徑小于7 mm的孔、半徑小于3 mm的圓角以及深度或高度小于3 m的凹坑和凸臺去除，以保證網(wǎng)格劃分質(zhì)量；最后采用殼單元對其進(jìn)行離散化，網(wǎng)格劃分過程中主要以四邊形網(wǎng)格為主，對其中一些復(fù)雜的部件可以采用少量三角形單元進(jìn)行劃分。但是為了保證計(jì)算的精度，三角形網(wǎng)格的數(shù)量不得超過網(wǎng)格單元總數(shù)的5%。

因本車門鉸鏈為厚度較厚的鑄件，且形狀規(guī)則。為了保證計(jì)算精度及不耗費(fèi)較大的計(jì)算資源，對其采用單元長度為3 mm的六面體實(shí)體網(wǎng)格劃分。

一般來說，網(wǎng)格單元劃分得越細(xì)，網(wǎng)格單元數(shù)量就越多，有限元模型就越能表達(dá)零件的幾何特征，相應(yīng)地有限元模型計(jì)算結(jié)果的精度也就越高，但是計(jì)算時間也會明顯增加。因此，在劃分網(wǎng)格時，應(yīng)該合理選取網(wǎng)格單元大小，從而得出最優(yōu)解，即在縮短計(jì)算時間的同時保持計(jì)算的準(zhǔn)確性。因此在本文的車門有限元模型建立中，各部件均采用8 mm大小的網(wǎng)格進(jìn)行劃分。

該車門總成共生成87 577個節(jié)點(diǎn)，64 670個單元，三角形單元比例為1.9%，小于5%的要求。

1.2 有限元模型連接及屬性定義

根據(jù)車門總成的實(shí)際裝配關(guān)系，將車門內(nèi)板和外板包邊邊界處的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行耦合，將包邊公共部分簡化為一排或兩排網(wǎng)格，以此來模擬內(nèi)板和外板的包邊工藝；采用RBE3-HEXA-RB3焊接類型模型車門電焊連接關(guān)系；采用RBE2、RBE3及HEXA的組合單元來模擬車門外板與其加強(qiáng)板間的連接；采用剛性單元 RBE2模擬螺栓連接；利用釋放了軸線旋轉(zhuǎn)自由度的梁單元模擬車門和車身鉸鏈的銷軸連接關(guān)系。

模型搭建完畢后，為各部件附上相應(yīng)的材料屬性及厚度，使其能夠反映車門真實(shí)特性。

1.3 工況定義

車門內(nèi)板和外板的剛度是指車門內(nèi)板和外板在承受外界擠壓的情況下抵抗變形的能力，即施加在車門內(nèi)板和外板上的載荷與施加載荷后車門內(nèi)板和外板的變形之間的比值關(guān)系。

1.3.1 約束定義

為了能夠真實(shí)反映車門安裝狀態(tài)下的內(nèi)板和外板擠壓剛度，本文約束了車身側(cè)鉸鏈的6個方向的自由度，并約束了除沿鎖柱旋轉(zhuǎn)外的其余5個方向的自由度，如圖1所示。

圖1 車門工況定義

1.3.2 載荷定義

車門內(nèi)板擠壓剛度載荷定義：在窗框內(nèi)板中間位置加載整車向100 N的力，如圖2所示。

圖2 內(nèi)板加載示意

車門外板擠壓剛度載荷定義：在窗框外板中間位置加載向100 N的力，如圖3所示。

圖3 外板加載示意

2 剛度計(jì)算及結(jié)果分析

利用Optistruct求解器對該有限元模型進(jìn)行計(jì)算，并在HyperView中查看力作用點(diǎn)在向的位移，其位移云圖如圖4和圖5所示。由此可得，內(nèi)板和外板的擠壓剛度值分別為88.6 N/m和68.9 N/m。

圖4 內(nèi)板擠壓位移云圖

圖5 外板擠壓位移云圖

由分析結(jié)果可以看出，車門內(nèi)板剛度值高于標(biāo)桿車參考值(80 N/m)，而外板擠壓剛度值較小，主要是因?yàn)樵摽钴囬T寬度較大，雖然內(nèi)板和外板內(nèi)側(cè)均有加強(qiáng)板，但加載點(diǎn)到支撐點(diǎn)的距離較大，導(dǎo)致內(nèi)、外板擠壓剛度均表現(xiàn)一般，尤其是外板剛度，更是低于標(biāo)桿車參考值，存在潛在風(fēng)險(xiǎn)，需要進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 優(yōu)化方案

提升剛度的解決方案通常有如下幾種：

(1)改變支撐點(diǎn)或加載點(diǎn)，以減小加載點(diǎn)與支撐點(diǎn)的間距，從而提升剛度值；

(2)增加零部件厚度，提升其抗彎能力；

(3)增加特征，如增加各種形式的筋特征，提升剛度值；

(4)增大部件間構(gòu)成腔體的面積，提升總成的抗彎截面系數(shù)，從而提升剛度值。

以上方案中，在車門整體方案不變的情況下，支撐點(diǎn)和加載點(diǎn)位置均無法改變。增加其加強(qiáng)板厚度可以有效提升內(nèi)板擠壓剛度，但將增加車門質(zhì)量，有悖于整車輕量化設(shè)計(jì)的目標(biāo)。為此，本文以方案(3)和方案(4)為指導(dǎo)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在質(zhì)量幾乎不變的情況下提升車門內(nèi)板剛度性能，具體改進(jìn)方案如圖6和圖7所示。

圖6 外板腔體改進(jìn)前后結(jié)構(gòu)

圖7 外板加強(qiáng)板增加局部特征改進(jìn)前后結(jié)構(gòu)

3.2 優(yōu)化結(jié)果

為了驗(yàn)證改進(jìn)方案的效果，對改進(jìn)后方案進(jìn)行了剛度再計(jì)算，改進(jìn)后外板擠壓位移云圖如圖8所示。改進(jìn)后車門外板擠壓剛度值為91.6 N/m，達(dá)到參考值要求，較改進(jìn)前剛度提升了32.9%，效果明顯。

圖8 改進(jìn)后外板擠壓位移云圖

4 結(jié)論

(1)通過對車門進(jìn)行有限元分析計(jì)算，得出車門內(nèi)板剛度值為88.6 N/m，外板剛度值為68.9 N/m，且外板擠壓剛度值小于標(biāo)桿車參考值，需要對其進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)；

(2)采用更改加強(qiáng)板結(jié)構(gòu)方式，增大外板加強(qiáng)板與外板所構(gòu)成腔體截面面積和外板加強(qiáng)板向剛度，使外板擠壓剛度值增加到91.6 N/m，較原剛度提升了32.9%。